Several microtubule binding proteins, including CLIP-170 (cytoplasmic linker protein-170), CLIP-115, and EB1 (end-binding protein 1), have been shown to associate specifically with the ends of growing microtubules in non-neuronal cells, thereby regulating microtubule dynamics and the binding of microtubules to protein complexes, organelles, and membranes. When fused to GFP (green fluorescent protein), these proteins, which collectively are called +TIPs (plus end tracking proteins), also serve as powerful markers for visualizing microtubule growth events. Here we demonstrate that endogenous +TIPs are present at distal ends of microtubules in fixed neurons. Using EB3-GFP as a marker of microtubule growth in live cells, we subsequently analyze microtubule dynamics in neurons. Our results indicate that microtubules grow slower in neurons than in glia and COS-1 cells. The average speed and length of EB3-GFP movements are comparable in cell bodies, dendrites, axons, and growth cones. In the proximal region of differentiated dendrites approximately 65% of EB3-GFP movements are directed toward the distal end, whereas 35% are directed toward the cell body. In more distal dendritic regions and in axons most EB3-GFP dots move toward the growth cone. This difference in directionality of EB3-GFP movements in dendrites and axons reflects the highly specific microtubule organization in neurons. Together, these results suggest that local microtubule polymerization contributes to the formation of the microtubule network in all neuronal compartments. We propose that similar mechanisms underlie the specific association of CLIPs and EB1-related proteins with the ends of growing microtubules in non-neuronal and neuronal cells.

Summary

 Synapses are fundamental information-processing units of the brain, and synaptic dysregulation is central to many brain disorders ("synaptopathies"). However, systematic annotation of synaptic genes and ontology of synaptic processes are currently lacking. We established SynGO, an interactive knowledge base that accumulates available research about synapse biology using Gene Ontology (GO) annotations to novel ontology terms: 87 synaptic locations and 179 synaptic processes. SynGO annotations are exclusively based on published, expert-curated evidence. Using 2,922 annotations for 1,112 genes, we show that synaptic genes are exceptionally well conserved and less tolerant to mutations than other genes. Many SynGO terms are significantly overrepresented among gene variations associated with intelligence, educational attainment, ADHD, autism, and bipolar disorder and among de novo variants associated with neurodevelopmental disorders, including schizophrenia. SynGO is a public, universal reference for synapse research and an online analysis platform for interpretation of large-scale -omics data (https://syngoportal.org and http://geneontology.org).

Dendritic spines are the major sites of excitatory synaptic input, and their morphological changes have been linked to learning and memory processes. Here, we report that growing microtubule plus ends decorated by the microtubule tip-tracking protein EB3 enter spines and can modulate spine morphology. We describe p140Cap/SNIP, a regulator of Src tyrosine kinase, as an EB3 interacting partner that is predominantly localized to spines and enriched in the postsynaptic density. Inhibition of microtubule dynamics, or knockdown of either EB3 or p140Cap, modulates spine shape via regulation of the actin cytoskeleton. Fluorescence recovery after photobleaching revealed that EB3-binding is required for p140Cap accumulation within spines. In addition, we found that p140Cap interacts with Src substrate and F-actin-binding protein cortactin. We propose that EB3-labeled growing microtubule ends regulate the localization of p140Cap, control cortactin function, and modulate actin dynamics within dendritic spines, thus linking dynamic microtubules to spine changes and synaptic plasticity.

The molecular mechanisms that determine the size and complexity of the neuronal dendritic tree are unclear. Here, we show that the phosphoinositide-3′ kinase (PI3K)–Akt–mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling pathway promotes the growth and branching of dendrites in cultured hippocampal neurons. Constitutively active mutants of Ras, PI3K, and Akt, or RNA interference (RNAi) knockdown of lipid phosphatase PTEN (phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome Ten), induced growth and elaboration of dendrites that was blocked by mTOR inhibitor rapamycin and/or by overexpression of eIF-4E binding protein 1 (4E-BP1), which inhibits translation of 5′ capped mRNAs. The effect of PI3K on dendrites was lost in more mature neurons (>14 d in vitro ). Dendritic complexity was reduced by inhibition of PI3K and by RNAi knockdown of mTOR or p70 ribosomal S6 kinase (p70S6K, an effector of mTOR). A rapamycin-resistant mutant of mTOR “rescued” the morphogenetic effects of PI3K in the presence of rapamycin. By regulating global and/or local protein translation, and as a convergence point for multiple signaling pathways, mTOR could play a central role in the control of dendrite growth and branching during development and in response to activity.

Taxol stimulates the capacity of axons to grow after spinal cord injury.

The postsynaptic density (PSD) of central excitatory synapses is essential for postsynaptic signaling, and its components are heterogeneous among different neuronal subtypes and brain structures. Here we report large scale relative and absolute quantification of proteins in PSDs purified from adult rat forebrain and cerebellum. PSD protein profiles were determined using the cleavable ICAT strategy and LC-MS/MS. A total of 296 proteins were identified and quantified with 43 proteins exhibiting statistically significant abundance change between forebrain and cerebellum, indicating marked molecular heterogeneity of PSDs between different brain regions. Moreover we utilized absolute quantification strategy, in which synthetic isotope-labeled peptides were used as internal standards, to measure the molar abundance of 32 key PSD proteins in forebrain and cerebellum. These data confirm the abundance of calcium/calmodulin-dependent protein kinase II and PSD-95 and reveal unexpected stoichiometric ratios between glutamate receptors, scaffold proteins, and signaling molecules in the PSD. Our data also demonstrate that the absolute quantification method is well suited for targeted quantitative proteomic analysis. Overall this study delineates a crucial molecular difference between forebrain and cerebellar PSDs and provides a quantitative framework for measuring the molecular stoichiometry of the PSD.

CLIP-170 and CLIP-115 are cytoplasmic linker proteins that associate specifically with the ends of growing microtubules and may act as anti-catastrophe factors. Here, we have isolated two CLIP-associated proteins (CLASPs), which are homologous to the Drosophila Orbit/Mast microtubule-associated protein. CLASPs bind CLIPs and microtubules, colocalize with the CLIPs at microtubule distal ends, and have microtubule-stabilizing effects in transfected cells. After serum induction, CLASPs relocalize to distal segments of microtubules at the leading edge of motile fibroblasts. We provide evidence that this asymmetric CLASP distribution is mediated by PI3-kinase and GSK-3 beta. Antibody injections suggest that CLASP2 is required for the orientation of stabilized microtubules toward the leading edge. We propose that CLASPs are involved in the local regulation of microtubule dynamics in response to positional cues.

Stromal interaction molecule 1 (STIM1) is a transmembrane protein that is essential for store-operated Ca2+ entry, a process of extracellular Ca2+ influx in response to the depletion of Ca2+ stores in the endoplasmic reticulum (ER) (reviewed in [1Luik R.M. Lewis R.S. New insights into the molecular mechanisms of store-operated Ca2+ signaling in T cells.Trends Mol. Med. 2007; 13: 103-107Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (51) Google Scholar, 2Putney Jr., J.W. New molecular players in capacitative Ca2+ entry.J. Cell Sci. 2007; 120: 1959-1965Crossref PubMed Scopus (131) Google Scholar, 3Hogan P.G. Rao A. Dissecting ICRAC, a store-operated calcium current.Trends Biochem. Sci. 2007; 32: 235-245Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (100) Google Scholar, 4Wu M.M. Luik R.M. Lewis R.S. Some assembly required: Constructing the elementary units of store-operated Ca(2+) entry.Cell Calcium. 2007; 42: 163-172Crossref PubMed Scopus (68) Google Scholar]). STIM1 localizes predominantly to the ER; upon Ca2+ release from the ER, STIM1 translocates to the ER-plasma membrane junctions and activates Ca2+ channels (reviewed in [1Luik R.M. Lewis R.S. New insights into the molecular mechanisms of store-operated Ca2+ signaling in T cells.Trends Mol. Med. 2007; 13: 103-107Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (51) Google Scholar, 2Putney Jr., J.W. New molecular players in capacitative Ca2+ entry.J. Cell Sci. 2007; 120: 1959-1965Crossref PubMed Scopus (131) Google Scholar, 3Hogan P.G. Rao A. Dissecting ICRAC, a store-operated calcium current.Trends Biochem. Sci. 2007; 32: 235-245Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (100) Google Scholar, 4Wu M.M. Luik R.M. Lewis R.S. Some assembly required: Constructing the elementary units of store-operated Ca(2+) entry.Cell Calcium. 2007; 42: 163-172Crossref PubMed Scopus (68) Google Scholar]). Here, we show that STIM1 directly binds to the microtubule-plus-end-tracking protein EB1 and forms EB1-dependent comet-like accumulations at the sites where polymerizing microtubule ends come in contact with the ER network. Therefore, the previously observed tubulovesicular motility of GFP-STIM1 [5Baba Y. Hayashi K. Fujii Y. Mizushima A. Watarai H. Wakamori M. Numaga T. Mori Y. Iino M. Hikida M. Kurosaki T. Coupling of STIM1 to store-operated Ca2+ entry through its constitutive and inducible movement in the endoplasmic reticulum.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006; 103: 16704-16709Crossref PubMed Scopus (259) Google Scholar] is not a motor-based movement but a traveling wave of diffusion-dependent STIM1 concentration in the ER membrane. STIM1 overexpression strongly stimulates ER extension occurring through the microtubule "tip attachment complex" (TAC) mechanism [6Waterman-Storer C.M. Salmon E.D. Endoplasmic reticulum membrane tubules are distributed by microtubules in living cells using three distinct mechanisms.Curr. Biol. 1998; 8: 798-806Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Google Scholar, 7Waterman-Storer C.M. Gregory J. Parsons S.F. Salmon E.D. Membrane/microtubule tip attachment complexes (TACs) allow the assembly dynamics of plus ends to push and pull membranes into tubulovesicular networks in interphase Xenopus egg extracts.J. Cell Biol. 1995; 130: 1161-1169Crossref PubMed Scopus (87) Google Scholar], a process whereby an ER tubule attaches to and elongates together with the EB1-positive end of a growing microtubule. Depletion of STIM1 and EB1 decreases TAC-dependent ER protrusion, indicating that microtubule growth-dependent concentration of STIM1 in the ER membrane plays a role in ER remodeling.

In neurons, the distinct molecular composition of axons and dendrites is established through polarized targeting mechanisms, but it is currently unclear how nonpolarized cargoes, such as mitochondria, become uniformly distributed over these specialized neuronal compartments. Here, we show that TRAK family adaptor proteins, TRAK1 and TRAK2, which link mitochondria to microtubule-based motors, are required for axonal and dendritic mitochondrial motility and utilize different transport machineries to steer mitochondria into axons and dendrites. TRAK1 binds to both kinesin-1 and dynein/dynactin, is prominently localized in axons, and is needed for normal axon outgrowth, whereas TRAK2 predominantly interacts with dynein/dynactin, is more abundantly present in dendrites, and is required for dendritic development. These functional differences follow from their distinct conformations: TRAK2 preferentially adopts a head-to-tail interaction, which interferes with kinesin-1 binding and axonal transport. Our study demonstrates how the molecular interplay between bidirectional adaptor proteins and distinct microtubule-based motors drives polarized mitochondrial transport.